一种多关节机器人一体化协同控制装置及方法与流程
本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及多关节机器人一体化协同控制装置及方法。
背景技术
多关节机器人具有很高的自由度，可以完成大部分轨迹或者角度的工作；可编程性，根据工作内容规划轨迹。多关节机器人的研究已经从传统工业领域扩展到医疗服务、教育娱乐和勘探勘测等新领域，适应不同领域需求的多关节机器人控制方法也被深入研究与开发；
现阶段，多关节机器人控制装置比较缺乏独立性，其功能取决于多关节机器人所需要完成的任务，而控制装置的伺服以及规划算法所用参数直接来自本体：底层位置伺服算法要根据操作机的伺服电机和伺服放大器的特性来定制，上层规划程序要根据操作机的机构、尺寸等参数来编制。如果作业任务和作业对象都是固定的，那么这种机器人控制装置具有简单、可靠和高效的优点。但是随着经济的发展，人们对产品多样化的要求越来越高。制造商已由原来的任务和对象相对固定的大规模流水线式作业，向任务和对象经常改变的中小规模的柔性制造和可重构制造模式发展。这就要求制造系统中担当生力军的工业机器人能够胜任不断变化的任务，即功能柔性化，经过控制装置的功能扩充，原有的多关节机器人就可以投入到新的生产任务中去。
在目前多关节机器人的控制方法中，一个产品的研发其代码数量巨大，同时需要一个大的团队协作完成。在此过程中难以标准化，以致于会出现很多问题。
技术实现要素：
本发明的实施例提供多关节机器人一体化协同控制装置，运用代码生成的控制方法可以提高机器人的开放性能，缩短开发周期，实现多关节机器人的协同控制。
本发明所采用的技术方案是：
一种多关节机器人一体化协同控制装置，包括pc机、dsp控制单元和若干个机器人关节控制单元；
pc机与dsp控制单元相连接，机器人关节控制单元通过总线与dsp控制单元相连接；
机器人关节控制单元包括fpga数据采集单元、隔离驱动单元和关节电机；fpga数据采集单元、隔离驱动单元和关节电机依次顺序连接。
pc机上装有matlab软件或者labview软件，pc机上搭建多电机协同控制仿真模型进行算法验证，把仿真模型生成c代码下载到dsp控制单元中运行。
fpga数据采集单元包括fpga模块、第一rs485通讯模块、正交解码模块、ad采集模块、pwm产生模块、第一电源模块和第一总线接口；第一rs485通讯模块、正交解码模块、ad采集模块、pwm产生模块、第一电源模块和第一总线接口都与fpga模块相连接；
fpga模块采集电机的绝对值编码器信号或增量编码器信号、电机的相电流信号、电机的相电压信号和电机的报警字信号，并将采集的信号传输至dsp控制单元；dsp控制单元把控制量传输给fpga数据采集单元，fpga数据采集单元产生pwm信号或svpwm信号并传输给隔离驱动单元。
dsp控制单元包括dsp模块、da模块、rs232通讯模块、第二rs485通讯模块、第二电源模块和第二总线接口；
da模块、rs232通讯模块、第二rs485通讯模块、第二电源模块和第二总线接口都与dsp模块相连接；
dsp模块的控制量通过第二总线接口以并行传输的方式传给fpga数据采集单元，fpga数据采集单元产生pwm信号或svpwm信号并传输给隔离驱动单元。
隔离驱动单元用于隔离信号电压值的波动，防止信号电压值的波动对主芯片造成影响；
隔离驱动单元包括由光电耦合器构成的隔离电路。
一种多关节机器人一体化协同控制方法，包括以下步骤：
s1：各fpga数据采集单元采集关节电机的位置数据、速度数据、相电压数据和电机三相定子电流ia、ib、ic，通过总线反馈给dsp控制单元；
s2：dsp控制单元根据给定的末端运行轨迹，进行正解和逆解计算，求出机器人关节下一个控制周期的位置给定；
s3：dsp控制单元根据下一个控制周期各关节电机的位置给定和实际位置反馈，进行pi运算得到各关节电机的速度给定量；
s4：dsp控制单元根据各关节电机的速度给定量和实际速度反馈值，进行pi运算得到各关节电机的电流
s5：dsp控制单元根据fpga数据采集单元反馈的电机三相定子电流ia、ib和ic，计算各关节电机的电流的实际值id和iq；id表示d-q坐标系下d轴实际电流值，iq表示d-q坐标系下q轴实际电流值；
s6：根据步骤s4得到的各关节电机的电流
s7：fpga数据采集单元发送svpwm信号到隔离驱动单元，隔离驱动单元控制电机运转。不同关节电机同时运转，实现了协同控制。
dsp控制单元的程序在上位机的matlab或者labview环境下编写实现，最终生成代码在dsp控制单元中执行。
关节电机为永磁同步电机，进行一体化协同控制具体包括以下步骤：
根据电机速度给定量ωref和实际速度ω比较得到速度差值e；
速度差值e经过速度环pi计算得到d-q坐标系下q轴给定电流值
根据永磁同步电机矢量控制原理，令d-q坐标系下d轴给定电流值
根据d轴电压给定值
根据α-β坐标系下的等效电压控制给定值
利用所述三相电压信号控制所述永磁同步电机。
d-q坐标系下q轴实际输出电流值iq和d-q坐标系下d轴实际输出电流值id计算方法具体包括以下步骤：
基于三相定子电流ia、ib和ic，进行clark变换，生成α-β坐标系下的等效电流iα和iβ；
获取永磁同步电机实际运行速度ω和转子位置θ；
根据θ、iα和iβ进行park变换，生成d-q坐标系下的实际输出电流值id和iq；
其中，park逆变换、clark变换和park变换的过程包括：
根据矩阵
根据矩阵
根据矩阵
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本申请公开一种多关节机器人一体化协同控制装置，dsp控制单元和若干个机器人关节控制单元相连接，基于dsp控制单元与fpga数据采集单元相结合的结构，实现多关节机器人的协同控制，根据控制单元的计算能力对多关节机器人的模型提供运算保障，而fpga数据采集单元承担数据采集和生成脉冲宽度调制pwm信号的功能，利用并口传输保证fpga数据采集单元数据向dsp控制单元传输的实时性；实现多关节机器人的协同控制，fpga模块能同时控制各模块工作，达到同步的效果；
本申请公开一种多关节机器人一体化协同控制方法，采用了永磁同步电机矢量控制的原理，实现对电机稳定的运动控制，简化了dsp芯片的运算，便于数字处理。
本申请公开一种多关节机器人一体化协同控制方法，dsp芯片在电机控制，数字信号处理的大数据运算方面有巨大的优势，而matlab因可视化和丰富的功能模块，在算法研究方面有巨大的优势，将dsp和matlab两者结合在工业中应用会极大的缩短产品从研发至测试的时间周期，使得嵌入式开发更加高效、算法更加优化，开放式的算法让程序研究更加灵活，提高了可移植性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的多关节机器人一体化控制的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多关节机器人控制方法的流程图；
图3为本发明fpga数据采集单元结构示意图；
图4为本发明dsp控制单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种多关节机器人一体化协同控制装置，包括pc机、dsp控制单元和若干个机器人关节控制单元；
pc机与dsp控制单元相连接，机器人关节控制单元通过总线与dsp控制单元相连接；
所述机器人关节控制单元包括fpga数据采集单元、隔离驱动单元和关节电机；fpga数据采集单元、隔离驱动单元和关节电机依次顺序连接。
pc机上装有matlab软件或者labview软件，pc机上搭建多电机协同控制仿真模型进行算法验证，把仿真模型生成c代码下载到dsp控制单元中运行。
如图3所示，fpga数据采集单元包括fpga模块、第一rs485通讯模块、正交解码模块、ad采集模块、pwm产生模块、第一电源模块和第一总线接口；第一rs485通讯模块、正交解码模块、ad采集模块、pwm产生模块、第一电源模块和第一总线接口都与fpga模块相连接。fpga模块能同时控制各模块工作，达到同步的效果。
fpga模块与第一rs485通讯模块连接，用于读取电机绝对值编码器信号。fpga模块与正交解码模块连接，用于读取电机增量值编码器信号。fpga模块与pwm产生模块连接，用于读取生pwm控制信号，并通过pwm产生模块传输给隔离驱动单元。fpga模块与ad采集模块连接，用于采集电机相电流信号。fpga模块与第一总线接口模块连接，用于与dsp控制单元通信。第一电源模块与fpga模块连接，用于给fpga模块供电。fpga模块同时控制各模块工作，达到同步的效果。
fpga模块采集电机的绝对值编码器信号或增量编码器信号、电机的相电流信号、电机的相电压信号和电机的报警字信号，并将采集的信号传输至dsp控制单元；dsp控制单元把控制量传输给fpga数据采集单元，fpga数据采集单元产生pwm信号或svpwm信号并传输给隔离驱动单元。
如图4所示，dsp控制单元包括dsp模块、da模块、rs232通讯模块、第二rs485通讯模块、第二电源模块和第二总线接口；
da模块、rs232通讯模块、第二rs485通讯模块、第二电源模块和第二总线接口都与dsp模块相连接。
dsp模块与da模块连接，用于把过程参量以模拟量形式输出；dsp模块与第二总线接口模块连接，用于与fpga模块通信；dsp模块与rs232通讯模块、第二rs485通讯模块连接，用于和pc机通信。
dsp模块的控制量通过第二总线接口以并行传输的方式传给fpga数据采集单元，fpga数据采集单元产生pwm信号或svpwm信号并传输给隔离驱动单元；dsp模块计算产生不同的控制量来实现控制多个关节电机，提高dsp的利用率；dsp运算过程中的波形及产生的数据可通过通讯模块和da模块进行实时观测。
隔离驱动单元起到保护作用，用于隔离信号电压值的波动，防止信号电压值的波动对主芯片造成影响；
隔离驱动单元包括由光电耦合器构成的隔离电路。
如图2所示，一种多关节机器人一体化协同控制方法，包括以下步骤：
s1：各fpga数据采集单元采集关节电机的位置数据、速度数据、相电压数据和电机三相定子电流ia、ib、ic，通过总线反馈给dsp控制单元；
s2：dsp控制单元根据给定的末端运行轨迹，进行正解和逆解计算，求出机器人关节下一个控制周期的位置给定；
s3：dsp控制单元根据下一个控制周期各关节电机的位置给定和实际位置反馈，进行pi运算得到各关节电机的速度给定量；
s4：dsp控制单元根据各关节电机的速度给定量和实际速度反馈值，进行pi运算得到各关节电机的电流
s5：dsp控制单元根据fpga数据采集单元反馈的电机三相定子电流ia、ib和ic，计算各关节电机的电流的实际值id和iq；id表示d-q坐标系下d轴实际电流值，iq表示d-q坐标系下q轴实际电流值；
s6：根据步骤s4得到的各关节电机的电流
s7：fpga数据采集单元发送svpwm信号到隔离驱动单元，隔离驱动单元控制电机运转。不同关节电机同时运转，实现了协同控制。
dsp控制单元的程序在上位机的matlab或者labview环境下编写实现，最终生成代码在dsp控制单元中执行。
本实施例关节电机为永磁同步电机，进行一体化协同控制具体包括以下步骤：
根据电机速度给定量ωref和实际速度ω比较得到速度差值e；
速度差值e经过速度环pi计算得到d-q坐标系下q轴给定电流值
根据永磁同步电机矢量控制原理，令d-q坐标系下d轴给定电流值
根据d轴电压给定值
根据α-β坐标系下的等效电压控制给定值
利用所述三相电压信号控制所述永磁同步电机。
d-q坐标系下q轴实际输出电流值iq和d-q坐标系下d轴实际输出电流值id计算方法具体包括以下步骤：
基于三相定子电流ia、ib和ic，进行clark变换，生成α-β坐标系下的等效电流iα和iβ；
获取永磁同步电机实际运行速度ω和转子位置θ；
根据θ、iα和iβ进行park变换，生成d-q坐标系下的实际输出电流值id和iq；
其中，park逆变换、clark变换和park变换的过程包括：
根据矩阵
根据矩阵
根据矩阵
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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